KR100696858B1 - 유기 알루미늄 전구체 및 이를 이용한 금속배선 형성방법 - Google Patents

유기 알루미늄 전구체 및 이를 이용한 금속배선 형성방법 Download PDF

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Abstract

기화도 및 열적 안정성이 우수한 신규 유기 알루미늄 전구체 및 이를 이용한 금속 배선 제조 방법에서는 중심금속으로 알루미늄을 포함하고, 리간드로 보론 하이드라이드 및 트리메틸아민을 포함하는 유기 알루미늄 전구체를 기판의 상부로 제공한다. 상기 기판의 상부로 제공된 유기 알루미늄 전구체를 열 분해시킨다. 상기 유기 알루미늄 전구체로부터 열 분해된 알루미늄을 상기 기판의 표면에 증착한다. 그 결과 기판 상에는 스텝 커버리지 및 전기 전도도가 우수한 알루미늄 배선이 형성된다.

Description

유기 알루미늄 전구체 및 이를 이용한 금속배선 형성방법{ORGANIC ALUMINUM PRECURSOR AND METHOD OF MANUFACTURING A METAL WIRE USING THE SAME}
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 알루미늄 배선의 제조 방법을 나타내는 공정 흐름도이다.
도 2 내지 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 장치의 알루미늄 배선 제조 방법을 설명하기 위한 단면도들이다.
도 7은 본 발명의 유기 알루미늄 전구체와 종래의 MPA 전구체의 온도에 따른 증기압 변화를 나타내는 그래프이다.
도 8은 써셉터 온도변화에 따른 본 발명의 알루미늄막의 저항 값 및 반사도 값의 변화를 나타내는 그래프이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
100 : 반도체 기판 105 : 콘택
120 : 제2 층간절연막 패턴 122 : 개구
130 : 베리어 금속막 140 : 제1 알루미늄막
150 : 제2 알루미늄막
본 발명은 유기 알루미늄 전구체 및 이를 이용한 금속 배선 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 화학기상 증착 공정에 적용될 수 있는 신규한 유기 알루미늄 전구체 및 이를 이용한 금속 배선 제조방법에 관한 것이다.
반도체 장치는 고속으로 동작하는 동시에 대용량의 저장 능력을 가질 것이 요구된다. 이러한 요구에 부응하여, 상기 반도체 장치는 집적도, 신뢰도 및 응답 속도 등을 향상시키는 방향으로 제조 기술이 발전되고 있다. 따라서, 반도체 장치에서 전기적 신호를 전송하는 기능을 갖는 금속 배선에 대한 요구도가 높아지고 있는 실정이다.
구체적으로, 최근 반도체 장치의 회로 선폭이 좁아짐에 따라 금속배선을 형성되는 비아(Via) 및 콘택홀(contact hall)의 종횡비(aspect ratio)가 증가되고 있는 실정이다. 이 때문에 물리적기상 증착 및 스퍼터링(sputtering) 방식으로 금속배선을 형성하는데 한계를 갖는다. 또한, 상기 금속 배선은 매우 작은 선폭을 가지면서도 우수한 전기 전도도를 나타낼 수 있어야 하므로 비저항이 매우 감소된 물질을 사용하여 형성하여야 한다. 때문에, 상기 금속 배선으로 사용할 수 있는 금속 물질이 매우 제한적이다.
통상적으로, 반도체 장치에 사용되는 금속 배선 재료로 알루미늄, 텅스텐, 구리 등을 사용한다. 이 중에서도 상기 알루미늄은 텅스텐에 비해 비저항이 작을 뿐 아니라 구리와는 달리 건식 식각 공정을 통해하여 패턴으로 형성할 수 있는 장점을 갖는다. 따라서, 반도체 장치의 제조 공정에서 콘택 플러그 또는 배선을 형성 하는 공정에서 상기 알루미늄이 널리 사용되고 있다.
특히, 상기 알루미늄이 적용되는 배선은 물리기상증착 방법인 스퍼터링 공정을 수행하여 형성하였으나 반도체 장치의 배선의 선폭이 좁아지고, 콘택(contact) 또는 비아(Via)의 종횡비(aspect ratio)가 증가함에 따라 상기 물리기상증착 방법으로 상기 알루미늄 배선을 형성하는데 한계를 갖는다.
이를 극복하기 위해 유기 알루미늄 전구체를 이용한 화학기상증착 공정을 수행함으로써 알루미늄 금속 배선을 형성하는 방법이 적용되었다. 상기 화학기상증착 공정에 적용 되어온 전구체들의 예로서는 트리메칠알루미늄(TMA), 디메칠알루미늄하이드라이드(DMAH) 및 트리이소부틸알루미늄(TIBA)등을 들 수 있다.
그러나 상기 전구체들은 증기압이 높아 화학기상증착 공정을 수행하기 위한 전구체로서 장점을 가지고 있으나, 증착 온도가 250℃ 내지 400℃의 고온에서 이루어지기 때문에 알루미늄 배선을 형성하기에 문제점을 갖는다. 또한, 형성된 알루미늄 배선 내에는 전기 저항을 높이는 불순물(탄소)이 생성되는 문제점을 갖는다.
이러한, 문제점을 극복하기 위해 높은 증기압과 100 내지 200℃의 증착온도를 갖는 디메칠에틸아민알린(DMEAA) 전구체를 이용한 알루미늄 배선을 형성하는 방법이 제시되었다. 그러나 상기 DMEAA 전구체는 상온에서 열적 불안정성을 가지고 있는 단점을 갖는다. 이후, DMEAA 전구체 보다 안정성을 갖는 메칠피롤리딘알린(MPA) 전구체를 이용한 알루미늄 배선의 형성 방법이 제시되었다. 상기 MPA 전구체를 이용한 알루미늄 배선을 형성하기 위한 방법이 대한민국공개특허 제2000-0022650호에 개시되어 있다. 상기 MPA 전구체는 상기 DMEAA 전구체 보다 열적 안정 성을 갖으나, 약 30℃ 이상의 온도에서 열적, 화학적으로 불안정성을 가지고 있는 단점을 갖는다. 이러한 단점으로 상기 MPA 전구체는 가스라인을 통해 화학증착 챔버 내로 제공될 경우 상기 가스라인 또는 챔버 내에서 알루미늄 파티클(particle) 형태로 존재하다가 알루미늄 층착시 또는 형성된 알루미늄 배선의 표면으로 떨어지는 문제점이 발생한다.
본 발명의 목적은 화학증착 공정을 이용한 금속 배선 형성시 파티클의 생성을 최소화할 수 있는 유기 알루미늄 전구체를 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은 상기 유기 알루미늄 전구체를 이용하여 저온 스텝 커버리지 특성이 우수한 알루미늄 금속 배선을 제조하는 방법을 제공하는데 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 유기 알루미늄 전구체는 중심금속으로 알루미늄을 포함하고, 리간드로 보로-하이드라이드(boro-hydride)과 트리메틸아민(trimethylamine)을 포함하는 유기 알루미늄 전구체을 포함한다. 즉, 상기 유기 알루미늄 전구체는 알루미늄 보로-하이드라이드 트리메칠아민(Aluminum boro-hydride trimethylamine)인 것이 바람직하다.
상기 리간드를 포함하는 유기 알루미늄 전구체는 15 내지 50℃에서 기화되고, 특히 상기 유기 알루미늄 전구체는 30℃에서 기화되어 0.4 내지 0.6torr의 증기압을 갖고, 50℃에서 기화되어 1.2 내지 1.4torr의 증기압을 갖는 것이 바람직하다.
상기 다른 목적을 달성하기 위한 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 금속 배선 형성 방법에 있어서는, 중심금속으로 알루미늄을 포함하고, 리간드로 보로-하이드라이드 및 트리메틸아민을 포함하는 유기 알루미늄 전구체를 기판의 상부로 제공한다. 상기 기판의 상부로 제공된 유기 알루미늄 전구체를 열 분해시킨다. 상기 유기 알루미늄 전구체로부터 열 분해되어 형성된 알루미늄을 상기 기판의 표면에 증착한다. 그 결과 일정한 결정 배향성을 갖는 저 저항성의 알루미늄 금속 배선을 형성할 수 있다.
상기 금속 배선을 제조하기 위한 일 예로서, 상기 유기 알루미늄 전구체는 캐리어 가스와 함께 상기 기판 상으로 제공되며, 상기 캐리어 가스의 예로서는 아르곤, 헬륨, 네온 및 질소 가스등을 들 수 있다. 특히, 상기 유기 알루미늄 전구체는 80 내지 200℃에서 알루미늄과 리간드로 열 분해되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 다른 목적을 달성하기 위한 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 금속 배선 형성 방법에 있어서는, 기판의 도전성 패턴을 노출시키는 개구를 갖는 절연막 패턴을 형성한다. 중심금속으로 알루미늄을 포함하고, 리간드로 보로-하이드라이드 및 트리메틸아민을 포함하는 유기 알루미늄 전구체를 이용한 화학기상 증착공정을 수행함으로써 상기 개구의 내벽 및 상기 절연막 패턴의 표면상에 실질적으로 균일한 두께를 갖는 제1 알루미늄막을 형성한다. 물리기상 증착공정을 수행하여 상기 제1 알루미늄막 상에 제2 알루미늄막을 형성한다. 그 결과 상기 개구를 매몰하면서, 상기 절연막 패턴의 상면을 덮는 알루미늄 금속 배선이 형성된다.
상기 금속 배선을 형성하는 방법의 일 예로서는, 상기 절연막 패턴을 형성하 는 단계 이후에 상기 개구의 내벽 및 상기 절연막 패턴의 표면상에 실질적으로 균일한 두께를 갖는 베리어 금속막을 형성하는 단계를 더 수행할 수 있다. 이때, 형성되는 베리어 금속막은 티타늄막, 티타늄 질화막, 탄탈륨, 탄탈륨 질화막 또는 이들 중 적어도 2개의 적층막 구조를 갖도록 형성된다.
일 예로서, 상기 제1 알루미늄막은 200 내지 500Å의 두께를 갖고, 상기 물리적 기상증착 공정시 상기 배향성을 갖는 제2 알루미늄막을 형성하기 위한 시드막으로 사용된다.
본 발명에 개시된 유기 알루미늄 전구체는 기존에 사용된 메칠 파이로리딘 알린(methylpyrrolidine alane :MPA) 전구체 보다 열적 안정성뿐만 아니라 상온에서 기화도가 높은 특성을 갖는다. 따라서, 전기전도도가 우수한 알루미늄 배선을 형성할 수 있다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명되어지는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예는 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되어지는 것이다.
첨부된 도면에 있어서, 기판, 층(막), 개구, 배선, 패턴들 또는 구조물들 치수는 본 발명의 명확성을 기하기 위하여 실제보다 확대하여 도시한 것이다. 본 발명에 있어서, 각 층(막), 개구, 배선, 패턴들 또는 구조물들이 기판, 각 층(막) 또는 패턴들의 "상에", "저면에" "상부에" 또는 "측면"에 형성되는 것으로 언급되는 경우에는 각 층(막), 개구, 패턴 또는 구조물들이 직접 기판, 각 층(막), 배선, 패턴 또는 구조물들 위에 형성되거나 아래에 위치하는 것을 의미하거나, 다른 층(막), 다른 배선, 다른 패턴, 개구, 또는 다른 구조물들이 기판 상에 추가적으로 형성될 수 있다. 또한, 각 층(막), 패턴, 배선 또는 구조물들이 "제1", "제2" ,"제3" 또는 상부, 하부로 언급되는 경우, 이러한 부재들을 한정하기 위한 것이 아니라 단지 각 층(막), 개구, 배선, 패턴 또는 구조물들을 구분하기 위한 것이다. 따라서, "제1", "제2" 및/또는 "제3"은 각 층(막), 개구, 배선, 패턴 또는 구조물들에 대하여 각기 선택적으로 또는 교환적으로 사용될 수 있다. 그리고, 본 발명의 실시예에서 언급하고 있는 식각 공정 또는 스트립 공정을 수행한 이후에 일반적으로 행해지는 세정 및 건조에 대해서는 당업자에게 충분히 자명하기 때문에 생략할 수도 있다.
유기 알루미늄 전구체
본 발명의 실시예에 따른 유기 알루미늄 전구체는 알루미늄막 또는 알루미늄 배선을 형성하기 위해 적용되는 유기 금속 전구체로서 낮은 온도에서 보다 우수한 기화도를 갖는다.
구체적으로, 상기 유기 알루미늄 전구체는 중심 금속으로 알루미늄을 포함하고, 상기 중심 금속에 각각 결합되는 2 종류의 리간드를 포함한다. 본 실시예에 적용되는 2 종류의 리간드의 예로서는 보로-하이드라이드 및 트리메틸아민을 들 수 있다. 따라서, 상기 리간드를 포함하는 유기 알루미늄 전구체는 하기 구조식을 갖 는 알루미늄 보로-하이드라이드 트리메칠아민(Aluminum boro-hydride trimethylamine; ABHTMA) 전구체인 것이 바람직하다.
Figure 112005052438427-pat00001
-----[구조식]
상기 알루미늄 보로-하이드라이드 트리메틸아민 전구체는 알루미늄 배선을 형성하기 위한 화학기상증착 공정시 사용되며, 하기와 같은 특성을 갖는다.
구체적으로 본 실시예의 유기 알루미늄 전구체(ABHTMA)는 기존에 사용된 메틸 파이로리딘 알레인(MPA) 전구체 보다 동일 온도에서 기화도가 높은 특성을 갖는다. 즉, 상기 유기 알루미늄 전구체(ABHTMA)는 알루미늄 배선을 형성하기 위해 화학기상증착 챔버 내부로 공급될 경우 상온에서 안정한 증기 상태를 갖는다. 바람직하게는 상기 유기 알루미늄 전구체(ABHTMA)는 약 20 내지 50℃에서 기화될 수 있고, 보다 바람직하게는 약 30 내지 40℃에서 기화될 수 있다.
특히, 소정의 공간 내에 존재하는 상기 유기 알루미늄 전구체(ABHTMA)는 약 30℃에서 기화되어 0.4 내지 0.6torr의 증기압을 갖는 것이 바람직하고, 0.45 내지 0.55torr의 증기압을 갖는 것이 보다 바람직하다. 또한, 약 50℃에서 기화되어 1.2 내지 1.4torr의 증기압을 갖는 것이 바람직하고, 약 1.25 내지 1.35torr의 증기압을 갖는 것이 보다 바람직하다.
또한, 본 실시예의 유기 알루미늄 전구체(ABHTMA)는 약 80 내지 200℃이하의 온도에서 열 분해되어 중심 금속인 알루미늄으로부터 상기 리간드가 용이하게 이탈 될 수 있는 것이 바람직하다. 즉, 상기 유기 알루미늄 전구체(ABHTMA)는 열 분해시 200℃이상의 고온이 요구되지 않아도 되기 때문에 상기 유기 알루미늄 전구체를 이용하여 기판에 알루미늄 배선을 형성할 경우 기판에 포함된 하부 구조물의 열적 스트레스 증가를 미연에 방지할 수 있다.
이러한 특성을 갖는 유기 알루미늄 전구체(ABHTMA)를 이용한 화학기상증착 공정을 수행하여 알루미늄 배선을 형성할 경우 상기 유기 금속 전구체(ABHTMA)는 상온에서 열적으로 안정하기 때문에 화학기상증착 챔버 내부로 유입되기 전에 열 분해되는 문제점이 초래되지 않는다. 따라서, 형성되는 알루미늄 배선의 결함 및 화학기상 챔버의 잦은 세정공정을 미연에 방지할 수 있어 생산성을 향상시킬 수 있다.
알루미늄 배선 형성 방법
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 알루미늄 배선의 제조 방법을 나타내는 공정 흐름도이다.
도 1을 참조하면, 기판을 화학기상증착 챔버(미도시) 내에 위치시킨다(S 110).
구체적으로 상기 기판은 챔버 내부에 구비된 써셉터(미도시) 상에 지지되고, 상기 챔버는 화학기상 증착 공정을 수행하기 위한 압력 및 온도 조건에 부합되도록 설정된다.
일 예로서, 상기 챔버 내부의 압력이 약 0.001torr 미만이면 알루미늄 배선 을 형성하는 공정에서 알루미늄과 기판과의 반응성이 용이하지 않기 때문에 바람직하지 않고, 약 10.0torr을 초과하면 알루미늄 배선을 형성하기 위한 공정 제어가 용이하지 않기 때문에 바람직하지 않다. 따라서, 상기 챔버 내부가 약 0.001 내지 10.0torr의 압력이 되도록 조정하는 것이 바람직하다. 게다가, 상기 챔버 내부가 약 0.05 내지 5.0torr의 압력이 되도록 조정하는 것이 더욱 바람직하다.
이어서, 상술한 온도 및 압력 조건을 갖는 챔버에 구비된 기판의 상부로 상기 구조식을 갖는 유기 알루미늄 전구체인 알루미늄 보로-하이드라이드 트리메틸아민(Aluminum boro-hydride trimethylamine ; ABHTMA) 전구체를 유입한다(S120).
구체적으로, 상기 유기 알루미늄 전구체(ABHTMA)는 기존에 사용된 메틸 파이로리딘 알린(MPA) 전구체 보다 동일 온도하에서 기화도가 높은 특성을 갖는다. 즉, 상기 유기 알루미늄 전구체(ABHTMA)는 알루미늄 배선을 형성하기 위해 챔버 내부로 공급될 경우 상온에서 안정한 증기 상태를 가질 수 있어 열 분해가 일어나지 않는 특성을 갖는다. 따라서, 상기 챔버로 내부로 유기 알루미늄 전구체(ABHTMA)가 제공될 경우 알루미늄 파티클의 생성을 최소화 할 수 있다. 본 실시예에 적용되는 유기 알루미늄 전구체의 보다 구체적인 특성은 위에서 상세히 설명하였기 때문에 중복을 피하기 위해 생략하였다.
이때, 상기 유기 알루미늄 전구체는 엘디에스(LDS; liquid delivery system), 버블링 시스템(bubbling system) 등에 의해 기체 상태로 상기 챔버 내부로 제공된다. 또한, 상기 유기 알루미늄 전구체는 증기 상태로 캐리어 가스와 함께 챔버 내부로 유입된다. 상기 캐리어 가스의 예로서는 아르곤가스, 헬륨가스, 질소 가스, 네온가스 등과 같은 불활성 가스를 들 수 있다. 이들은 단독 또는 혼합하여 사용할 수 있다.
이어서, 상기 기판의 상부로 제공된 기체 상태의 유기 알루미늄 전구체를 열 분해시킨다(S130).
구체적으로, 써셉터에 지지된 기판 상부로 기체 상태를 갖는 유기 알루미늄 전구체가 제공됨으로 인해 상기 유기 알루미늄 전구체는 열 분해된다. 그 결과 중심 금속인 알루미늄(Al)으로부터 상기 리간드가 이탈됨으로써 순수한 알루미늄 원자가 생성된다. 이때, 상기 기판을 지지하는 써셉터는 약 80℃ 내지 200℃의 온도를 갖는다. 즉, 알루미늄 배선을 형성하기 위한 기판 또는 챔버 내부의 온도는 약 80 내지 200℃인 것이 바람직하고, 약 80 내지 160℃인 것이 보다 바람직하다. 본 실시예에서 상기 기판 또는 챔버 내부의 온도는 약 140 내지 160℃ 갖는 것이 바람직하다.
따라서, 상기 유기 알루미늄 전구체(ABHTMA)는 200℃ 이하의 저온에서 열 분해될 수 있기 때문에 상기 유기 알루미늄 전구체를 이용하여 기판에 알루미늄 배선을 형성할 경우 기판에 포함된 하부 구조물의 열적 스트레스 증가를 방지할 수 있다.
상기 열 분해됨으로써 생성된 알루미늄을 상기 기판의 표면에 증착시켜 알루미늄 배선을 형성한다(S140).
구체적으로, 기체 상태의 유기 알루미늄 전구체가 열 분해됨으로써 생성된 알루미늄을 기판의 표면에 연속적으로 화학 흡착시킨다. 상기 기판에 알루미늄이 연속적으로 화학흡착 됨으로써 상기 기판에는 알루미늄막인 알루미늄 배선이 형성된다. 상기 기판에 형성된 알루미늄 배선은 순수한 알루미늄으로 일렉트로 마이크레이션 측면에서 유리한 (1,1,1)배향성을 갖고다.
본 실시예서는 상기 알루미늄 배선은 화학기상증착 방법으로 수행하여 형성하였지만, 다른 예로서, 상기 알루미늄 배선은 싸이클릭 화학기상증착 방법을 적용하여 형성할 수 있다.
반도체 장치의 제조방법
도 2 내지 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 장치의 알루미늄 배선 제조 방법을 설명하기 위한 단면도들이다.
도 2는 제1 층간절연막 패턴을 형성하는 방법을 설명하는 도이다.
도 2를 참조하면, 반도체 기판(100)과 전기적으로 연결된 콘택(105)의 상면을 노출시키는 제1 층간절연막 패턴(110)을 형성한다. 상기 반도체 기판(100)은 도전성 구조물(미도시)들이 형성되어 있다. 상기 도전성 구조물들의 예로서는 비트라인, 워드라인, 기타 금속 배선들을 들 수 있다.
구체적으로 설명하면, 반도체 기판(100)에 형성된 도전성 구조물들을 덮는 제1 층간절연막(미도시)을 형성한다. 이어서, 상기 제1 층간절연막 상에 상기 도전성 구조물들을 노출시키는 콘택홀(미도시)을 형성한다. 상기 콘택홀이 형성됨으로 인해 상기 제1 층간절연막은 제1 층간절연막 패턴(110)으로 형성된다. 이어서, 상기 콘택홀을 매몰하면서, 상기 제1 층간절연막 패턴(110)의 상면을 덮는 도전성 물 질을 매몰한다. 상기 도전성 물질은 알루미늄을 사용하는 것이 바람직하다. 그리고, 상기 도전성 물질을 상기 제1 층간절연막 패턴(110)의 상면을 노출될 때까지 에치백(etch back) 또는 화학 기계적 연마(chemical mechanical polishing; CMP) 방법으로 식각한다. 그 결과 상기 제1 층간절연막 패턴(110)의 상기 콘택홀 내에 존재하는 상기 콘택(105)이 형성된다.
도 3은 개구를 갖는 제2 층간절연막 패턴을 형성하는 방법을 설명하는 도이다.
도 3을 참조하면, 상기 콘택(105) 및 제1 층간절연막 패턴(110) 상에 상기 콘택(105)을 노출시키는 개구(122)를 갖는 제2 층간절연막 패턴(120)을 형성한다. 구체적으로, 콘택(105) 및 제1 층간절연막 패턴 상에 제2 층간절연막을 형성한다. 상기 제2 층간절연막을 형성하기 위한 절연물의 일 예로서는 BPSG(boro-phosphor silicate glass), PSG(phosphor silicate glass), USG(undoped silicate glass), SOG(spin on glass), PE-TEOS(plasma enhanced-tetraethylorthosilicate) 등과 같은 산화물을 들 수 있다.
또한, 상기 제2 층간절연막을 형성하기 위한 절연물의 일 예로서는 유전상수 k 가 3.5 이하인 물질인 탄소 화합물이 도핑된 산화물(carbon-doped oxide), 수소계 산화물(HSQ; hydrogen silsesquioxane), 매칠계 산화물(MSQ;Methyl silsesquioxane)등과 같은 산화물을 들 수 있다. 즉, SiOC, SiOH, SiOCH3계의 물질로 형성할 수 있다.
본 실시예의 제2 층간절연막은 상기 반도체 기판에 형성된 도전성 구조물과 알루미늄 금속배선 간의 기생 커패시터(capacitor)의 형성을 방지하기 위해 수소계 산화물을 스핀코팅한 후 베이킹 처리함으로서 형성된 HSQ막 것이 바람직하다.
이어서, 상기 제2 층간절연막 상에 마스크 패턴(미도시)을 형성한 후 상기 마스크 패턴에 노출된 상기 제2 층간절연막을 선택적으로 이방성 식각하여 상기 콘택(105)을 노출시키는 개구(122)를 형성한다. 상기 개구가 형성됨으로 인해 상기 제2 층간절연막은 제2 층간절연막 패턴(120)으로 형성된다. 이후, 상기 마스크 패턴을 제2 층간절연막 패턴(120)으로부터 제거한다. 상기 마스크 패턴이 포토레지스트 패턴일 경우 상기 마스크 패턴은 플라즈마 에싱 및 세정공정을 수행하여 제거할 수 있다.
일 예로서, 상기 제2 층간절연막을 형성하기 전에 상기 콘택(105) 및 제1 층간절연막 패턴(110) 상에 식각방지막(미도시)을 더 형성할 수 있다. 상기 식각방지막은 이후 상기 제2 층간절연막에 개구(122)를 형성하기 위한 식각 공정을 수행할 경우 상기 콘택(105)의 식각 손상을 방지하기 위해 형성한다. 상기 식각방지막은 약 10 내지 150Å 정도의 두께로 형성되며 상기 제2 층간절연막에 대하여 식각율이 현저하게 낮은 질화물이나 금속 산화물로 형성한다. 또한, 상기 콘택(105) 상에 존재하는 식각저지막은 상기 제2 층간절연막에 개구(122)를 형성한 이후 습식 식각 공정으로 제거된다.
도 4는 베리어 금속막을 형성하는 방법을 설명하는 도이다.
도 4를 참조하면, 상기 개구(122)의 저면과 측면 및 상기 제2 층간절연막 패 턴(120)의 상면에 베리어 금속막(130)을 연속적으로 형성한다. 상기 베리어 금속막(130)은 실질적으로 균일한 두께를 갖는 동시에 상기 개구(122)를 매몰하지 않는 두께로 형성하는 것이 바람직하다.
구체적으로, 상기 베리어 금속막(130)은 후속 공정을 통해 개구(122)가 매몰되도록 형성되는 알루미늄 배선(미도시)의 금속이 상기 개구(122)에 의해 노출되는 제2 층간절연막 패턴(120) 내로 확산되는 것을 방지하는 역할을 한다. 상기 베리어 금속막(130)은 접착력이 우수하고, 콘택 저항이 낮은 특성을 갖아야 한다. 또한 열적 스트레스 및 기계적 스트레스에 대한 저항력이 높아야 하며, 낮은 전기 전도도가 요구된다.
이러한 요구를 만족시키는 베리어 금속막(130)의 일 예로서, 티타늄막, 티타늄 질화막 또는 티타늄/티타늄 질화막(Ti/TiN)으로 이루어지는 복합막을 들 수 있다. 본 실시예는 상기 베리어 금속막으로 티타늄막을 사용한다. 그 이유는, 상기 티타늄막은 이 후에 형성되는 배선용 금속 물질이 절연층으로 확산되는 것을 방지하는 매우 우수한 특성을 가질 뿐만 아니라 전기 전도도가 우수한 특징을 갖기 때문이다.
일 예로서, 상기 베리어 금속막(130)으로 사용되는 티타늄막은 100 내지 500Å의 두께로 형성한다. 상기 티타늄막의 두께가 너무 두꺼우면 상기 콘택과의 접촉 저항이 증가되는 문제점이 발생하고, 또한, 상기 티타늄막의 두께가 너무 얇으면, 금속 물질의 확산 및 반응물 형성을 효과적으로 방지할 수 없기 때문이다. 따라서, 상기 제시된 범위 내에서 형성하는 것이 바람직하다.
도 5는 시드막인 제1 알루미늄막을 형성하는 방법을 설명하는 도이다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 유기 알루미늄 전구체를 이용한 화학기상 증착공정을 수행함으로써 상기 베리어 금속막(130) 상에 시드막인 제1 알루미늄막(140)을 연속적으로 형성한다.
구체적으로, 중심금속으로 알루미늄을, 리간드로 보론 하이드라이드(boro-hydride)와 트리메틸아민(boro-hydride trimethylamine)을 포함하는 유기 알루미늄 전구체를 상기 베리어 금속막(130)이 형성된 기판(100) 상으로 제공한다. 상기 유기 알루미늄 전구체는 기존에 사용된 메칠 파이로리딘 알린(MPA) 전구체 보다 동일한 온도하에서 기화도가 높은 특성을 갖기 때문에 상온에서 안정한 증기 상태를 갖는다. 따라서, 상기 유기 알루미늄 전구체(ABHTMA)가 상기 기판의 상부로 제공될 경우 공급 라인에서 알루미늄 파티클의 생성을 최소화 할 수 있다. 상기 유기 알루미늄 전구체의 구체적인 특성은 위에서 상세히 설명하였기 때문에 중복을 피하기 위해 생략한다.
이어서, 상기 기판의 상부로 제공된 기체 상태의 유기 알루미늄 전구체를 열 분해시킨다. 상기 열분해로 인해 상기 유기 알루미늄 전구체의 알루미늄(Al)에 결합된 리간드는 상기 알루미늄으로부터 이탈된다. 그 결과 순수한 알루미늄 원자가 생성된다.
이어서, 열 분해로 인해 생성된 알루미늄을 베리어 금속막이 형성된 개구의 저면과 측면 및 절연막 패턴 상에 기판의 표면에 연속적으로 화학 흡착시킨다. 상기 베리어막 상에 알루미늄이 연속적으로 화학 흡착됨으로써 상기 베리어 금속막과 면접하는 시드막인 제1 알루미늄막(140)이 형성된다.
상기 시드막의 역할을 구체적으로 설명하면, 상기 시드막은 후속으로 증착되는 금속 물질에 유동성을 향상시켜 상기 금속 물질이 상기 개구(104)내부로 보다 용이하게 플로우될 수 있도록 한다. 또한, 상기 금속 물질의 접착성을 향상시킨다.
이러한 역할을 효과적으로 수행하기 위한 시드막은 다음과 같은 특성을 요구된다. 상기 시드막은 상기 베리어 금속막(130)상에 실질적으로 균일한 두께를 갖는 동시에 균일한 표면을 갖도록 형성되어야 한다. 만일, 상기 시드막이 균일한 두게를 갖지 않을 경우에는, 상기 시드막이 형성되어 있지 않은 부위에는 금속 물질이 정상적으로 플로우되지 않아 보이드 등의 발생을 초래한다.
또한, 상기 시드막은 사이즈가 작은 콘택홀 내부를 매몰하지 않도록 매우 얇은 두께로 형성하여야 한다. 이를 위해, 상기 시드막은 스텝 커버리지 특성이 양호한 물질 및 공정을 적용하여 형성하여야 한다. 그리고, 상기 시드막은 저온 공정으로 형성될 수 있어야 한다. 그 이유는 상기 시드막 아래에 형성 있는 도전성 구조물들이 열적 스트레스에 의해 손상되는 것을 방지하기 위함이다.
이러한 특성을 만족하기 위해, 본 실시예의 상기 시드막인 제1 알루미늄 막은(140) 화학 기상 증착 방식 또는 싸이클릭 화학기상증착 방식으로 형성하는 것이 바람직하다. 상기 시드막은 일반적으로 100 내지 700Å의 두께로 형성하고, 바람직하게는 200 내지 500Å의 두께로 한다. 상기 두께는 시드막이 실질적으로 균일한 두께를 가지면서 후속으로 증착되는 금속 물질에 유동성을 향상시킬 수 있는 두께이다. 그러나, 상기 시드막은 상기 개구(122)를 완전히 매몰하지 않는 두께로 형성 되어야 한다.
도 6은 개구를 매몰하는 제2 알루미늄막을 형성하는 방법을 설명하는 도이다.
도 6을 참조하면, 상기 개구(122)를 매몰하면서 상기 제2 층간절연막 상부의 시드막인 제1 알루미늄막(140)을 덮는 제2 예비 알루미늄막(미도시)을 형성한다. 상기 제2 예비 알루미늄막은 물리기상증착 공정을 수행하여 형성된다. 상기 물리기상증착 공정의 예로서는 직류 스퍼터링법, 교류 스퍼터링법, 직류 마그네트론 스퍼터링법을 들 수 있다. 본 실시예의 제2 예비 알루미늄막은 직류 스퍼터링 방식으로 형성하는 것이 바람직하다.
이어서, 상기 제2 예비 알루미늄막이 형성되어 있는 기판을 약 350 내지 550℃의 온도로 수 초 내지 수 백초 동안 열처리하여 상기 제2 예비 알루미늄막을 리플로우시킨다. 이 때, 상기 제2 예비 알루미늄막의 표면 산화를 방지하기 위해 고 진공 분위기 하에서 상기 리플로우 공정을 수행한다. 상기 리플로우 공정을 수행됨으로 인해 상기 제2 예비 알루미늄막은 제2 알루미늄막(150)으로 형성된다.
이렇게 형성된, 상기 제2 알루미늄막(150)은 보이드가 형성되지 않도록 상기 개구(122)를 완전히 매몰하고, 평탄화된 상면을 갖는다. 즉, 상기 시드막인 제1 알루미늄막(140)의 상면에 상기 제2 예비 알루미늄막의 리플로우를 방해하는 산화물이 거의 형성되어 있지 않기 때문에, 상기 개구에는 알루미늄이 상기 개구 내에 보이드 없이 채워질 수 있다.
상기 설명한 일련의 공정을 수행하면, 파티클이 존재하지 않으면서, 일방향 의 배향성을 갖는 전기 전도도가 우수한 알루미늄 배선이 형성된다.
유기 알루미늄 전구체의 특성 평가
도 7은 본 발명의 유기 알루미늄 전구체와 종래의 MPA 전구체의 온도에 따른 증기압 변화를 나타내는 그래프이다.
상기 증기압 변화 평가는 소정의 용적을 갖는 용기 본 발명의 유기 알루미늄(알루미늄 보로-하이드라이드 트리메칠아민)전구체와 MPA(메칠 파이로리딘 알린) 전구체를 유입시킨 후 상기 각각의 용기 내부의 온도를 분당 5℃로 상승시키면서, 온도에 따른 용기 내부의 증기압을 측정하였다. A는 본 발명의 유기 알루미늄 전구체의 증기압(●) 변화를 나타내는 곡선이고, B는 종래의 MPA 전구체의 증기압(■) 변화를 나타내는 곡선이다.
도 7을 참조하면, 본 실시예의 유기 알루미늄 전구체를 50℃ 까지 분당 5℃로 상승시킨 결과 상기 유기 알루미늄 전구체는 20℃에서 약 0.25torr의 증기압을 갖고, 30℃에서 약 0.55torr의 증기압을 갖고, 40℃에서 약 0.97torr의 증기압을 갖고, 50℃에서 약 1.3torr의 증기압을 갖는다. 반면에, MPA 전구체는 30℃에서 약 0.2torr의 증기압을 갖고, 40℃에서 약 0.42torr의 증기압을 갖고, 50℃에서 약 0.8torr의 증기압을 갖는다.
상기 결과를 미루어 보건대, 본 발명의 유기 알루미늄 전구체는 동일한 온도하에서 종래의 MPA 전구체 보다 약 2배 이상 높은 증기압을 갖는 것을 알 수 있다.즉, 본 발명의 유기 알루미늄 전구체는 보다 낮은 온도에서 기체 상태로 기화되는 거동을 갖는다. 따라서, 본 발명의 유기 알루미늄 전구체는 종래의 MPA 전구체 보다 우수한 특성을 갖는 유기 금속 전구체임을 확인 할 수 있었다.
도 8은 써셉터 온도변화에 따른 본 발명의 알루미늄막의 저항 값 및 반사도 값의 변화를 나타내는 그래프이다.
도 8을 참조하면, 상기 알루미늄막이 형성되는 기판을 가열하는 써셉터의 온도를 달리하면서 25℃로 유지된 유기 알루미늄(알루미늄 보로-하이드라이드 트리메칠아민)전구체를 이용하여 알루미늄막들을 형성하였다. 이후, 각각의 알루미늄막에 대한 저항 값(■) 및 반사도 값(◆)을 측정하였다. 그 결과, 상기 알루미늄막을 형성하기 위해서는 상기 써셉터의 온도를 약 120℃로 설정하는 것이 바람직함을 알 수 있다.
본 발명에 따른 신규한 구조를 갖는 유기금속 전구체를 이용한 화학기상증착 공정을 수행할 경우 상기 유기 금속 전구체는 상온에서 열적, 화학적으로 안정한 특성을 가져 분해가 되지 않는 특성을 갖는다. 따라서, 탄소 파티클 및 알루미늄 파티클이 존재하지 않으면서, 전기 전도도가 우수한 알루미늄 배선을 형성할 수 있다. 또한, 균일한 표면과 스텝 커버리지의 특성이 우수한 금속배선을 형성할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 실시예를 참조하여 설명하였지만 해당 기술 분야의 숙련된 당업자라면 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (16)

  1. 알루미늄 배선을 형성하는데 이용되는 유기 알루미늄 전구체에 있어서,
    중심금속으로 알루미늄을 포함하고, 리간드로 보로-하이드라이드(boro-hydride) 및 트리메틸아민(Tri-methylamine)을 포함하며 하기 구조식으로 표기되는 알루미늄 보로-하이드라이드 트리메틸아민(Aluminum boro-hydride trimethylamine)인 것을 특징으로 하는 유기 알루미늄 전구체.
    Figure 112006080084842-pat00013
    -----[구조식]
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서, 상기 리간드를 포함하는 유기 알루미늄 전구체는 15 내지 50℃에서 기화되는 것을 특징을 하는 유기 알루미늄 전구체.
  4. 제1항에 있어서, 상기 리간드를 포함하는 유기 알루미늄 전구체는 30℃에서 기화될 경우 0.4 내지 0.6torr의 압력을 갖고, 50℃에서 기화될 경우 1.2 내지 1.4torr의 압력을 갖는 것을 특징으로 하는 유기 알루미늄 전구체.
  5. 하기 구조식으로 표기되는 알루미늄 보로-하이드라이드 트리메틸아민(Aluminum boro-hydride trimethylamine)인 유기 알루미늄 전구체를 20 내지 50℃에서 기화시켜 기판의 상부로 제공하는 단계;
    상기 기판의 상부로 제공된 유기 알루미늄 전구체를 열 분해시키는 단계; 및
    상기 유기 알루미늄 전구체로부터 열 분해된 알루미늄을 상기 기판의 표면에 증착하는 단계를 포함하는 반도체 장치의 금속 배선 형성 방법.
    Figure 112006080084842-pat00003
    -----[구조식]
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 제5항에 있어서, 상기 유기 알루미늄 전구체는 30℃에서 기화될 경우 0.4 내지 0.6torr의 압력을 갖고, 50℃에서 기화될 경우 1.2 내지 1.4torr의 압력을 갖는 것을 특징으로 하는 반도체 장치의 금속 배선 형성 방법.
  9. 제5항에 있어서, 상기 유기 알루미늄 전구체는 캐리어 가스와 함께 상기 기판 상으로 제공되는 것을 특징으로 하는 반도체 장치의 금속 배선 형성 방법.
  10. 제5항에 있어서, 상기 캐리어 가스는 아르곤, 헬륨, 네온 및 질소 가스로부터 이루어진 군에서 적어도 하나의 가스를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 장치의 금속 배선 형성 방법.
  11. 제5항에 있어서, 상기 유기 알루미늄 전구체는 80 내지 200℃에서 열 분해되는 것을 특징으로 하는 반도체 장치의 금속 배선 형성 방법.
  12. 제5항에 있어서, 상기 알루미늄 증착은 싸이클릭 화학기상증착 방법 또는 화학적기상증착 방법인 것을 특징으로 하는 반도체 장치의 금속 배선 형성 방법.
  13. 기판에 포함된 도전성 패턴을 노출시키는 개구를 갖는 절연막 패턴을 형성하는 단계;
    하기 구조식으로 표기되고, 알루미늄 보로-하이드라이드 트리메틸아민(Aluminum boro-hydride trimethylamine)인 유기 알루미늄 전구체를 이용한 화학기상 증착공정을 수행함으로써 상기 개구의 내벽 및 상기 절연막 패턴의 표면상에 실질적으로 균일한 두께를 갖는 제1 알루미늄막을 형성하는 단계; 및
    물리기상 증착공정을 수행하여 상기 제1 알루미늄막 상에 제2 알루미늄막을 형성하는 단계를 포함하는 반도체 장치의 금속 배선 형성 방법.
    Figure 112006080084842-pat00014
    -----[구조식]
  14. 제13항에 있어서, 상기 절연막 패턴을 형성하는 단계 이후에,
    상기 개구의 내벽 및 상기 절연막 패턴의 표면상에 균일한 두께를 갖는 베리어 금속막을 형성하는 단계를 더 수행하는 것을 특징으로 하는 반도체 장치의 금속 배선 형성 방법.
  15. 제14항에 있어서, 상기 베리어 금속막은 티타늄막, 티타늄 질화막, 탄탈륨, 탄탈륨 질화막 또는 이들 중 적어도 2개의 적층막으로 형성하는 것을 특징으로 하는 반도체 장치의 금속 배선 형성 방법.
  16. 삭제
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